SMPS handbook ili što su to napajanja?

Napajanje, uređaj koji snabdjeva neki drugi uređaj, sklop ili sustav električnom ili nekom drugom energijom (najčešće električnom), u PC svijetu su veliki dio svoga postojanja bili zanemarivani ili im se nije pridavala prevelika pažnja. U počecima računalnog hobizma, linearni regulatori su bili glavni pokretač svakog računala i na njih se nije obraćala pretjeranja pažnja, obzirom da ni tadašnja računala nisu trošila previše el. energije; danas, skoro 25 godina od pojave PC-a, proizvodnja napajanja, jos i danas prilično primitivnih uređaja, postala je vrlo unosan posao.

Što, zapravo, čini klasično PC napajanje? Prvenstveno, generalno, PC napajanja možemo podijeliti na dvije velike grupe, AT te ATX. Kao i većina stvari u PC svijetu, i njihova napajanja počivaju na arhaičnim tehnologijama, pa su tako i najnovija ATX napajanja zapravo nadogradnja starih AT napajanja, no o tome nešto kasnije. Sva današnja PC napajanja su SMPS (switching mode power supply) napajanja te se mogu podijeliti na tri glavna dijela: ulaz, izlaz i logiku. No što je zapravo razlog korištenja SMPS tehnologije? Nepobitna činjenica jest da su ljudi oduvijek težili minijaturizaciji, što zbog pragmatičnih, tako i zbog ekonomskih pobuda. Tako je i s napajanjima; kroz godine razvoja napajanja su postajala sve manja i učinkovitija. SMPS ne samo da nudi visoku učinkovitost, nego i iznimnu fleksibilnost pri dizajniranju. Učestali napredci u poluvodičkoj, magnetskoj i pasivnoj tehnologiji učinili su SMPS napajanja glavnim izborom napajanja. I što zapravo čini SMPS boljim izborom za vas PC od dedinog transformatora iz '43? Za početak, linearna i switching regulacija koristi fundamentalno razlicite principe dobivanja stabiliziranih ulaza od nestabiliziranih. Linearna napajanja mogu se koristiti isključivo u step-down režimu rada, odnosno da od većeg ulaza dobijemo manji i to tako da se bipolarni tranzistor ili MOSFET drži u linearnom modu rada. U ovakvom tipu rada postiže se svega 35% do 64% učinkovitosti; ako s 12V trebamo dobiti 5V@100mA, disipacija iznosi 700mW za 500mW trošilo uz učinkovitost od svega 42 posto. Drugim riječima, za svako trošilo iznad 10W, ironično, samo hladilo koštalo bi više od čitavog regulacijskog sklopa, bez da uključujemo estetsko praktični dio.

SMPS, s druge strane, radi na takav način da izrazito brzo mijenja stanje tranzistora iz zasićenja u zapiranje. U načelu, poluvodički switcher iz istosmjernog napona daje izmjenični s visokom frekvencijom, koji onda može biti "podignut" ili "spušten" (step-up odnosno step-down) te nakon toga ponovno filtriran u istosmjerni izlaz. Ovakvim nacinom rada, postiže se učinkovitost od 65 do 95 posto. Postoje i podtipovi SMPS rada i dijele se na pulse–width modulated (PWM), forward–mode i boost–mode. Ono čime ćemo se mi malo pozabaviti je PWM način rada jer se baš on koristi kod naših napajanja u računalima.

Svatko tko je ikada otvorio bilo koje ATX napajanje zna da je u 90% njih srce i duša TL494, switchmode PWM kontrolni sklop, kojeg rade razni proizvođači, uz push-pull tranzistorsko sklopovlje i regulaciju izlaznih napona. I kako to sve zapravo radi? Počevši od ulaza, ~220V se punovalno ispravlja i zaglađuje s dva visokonaponska elektrolita. Nakon toga takav napon odlazi na NPN tranzistorski spoj (iako ne nužno, postoje izvedbe SMPS-a s MOSFE i IGB tranzistorima), koji je vrlo sličan izlazu B klase pojačala te nakon toga na transformator s više sekundara, obicno jedan za 5V i 3.3V te jedan za 12V, no kod novih napajanja postoji odvojeni 5V i 3.3V te nekoliko 12V linija. Daljnji princip je jednostavan, sto je veći napon na izlazu to je frekvencija ulaznog stupnja veća i samim time se inducira viši napon, uz jednostavnu impulsnu regulaciju na niskonaponskom dijelu odnosno kod bolje izvedenih napajanja pomoću pojačala greške. Negativni se pak naponi dobivaju pomoću ispravljanja induciranog napona na zavojnici. Bitna stvar je ta da apsolutno sva switching napajanja najviše ovise o kvaliteti pasivnih komponenti, napose LC izlaznih stupnjeva. Kvalitetno izvedeni kondenzatori (maleni ESR, kvalitetni dielektrik i slično) te zavojnice danas su rijetka i cijenjena roba, koja često povisuje cijenu kvalitetnijih napajanja.

Principijalna shema klasičnog ~200W SMPS napajanja (klik za veću sliku)

Nakon suhoparnog i dosadnog tehničarskog objašnjavanja kako otprilike napajanje radi, posvetit ćemo se nekim detaljima koji često mogu biti presudni hoćemo li neko napajanje klasificirati u "kvalitetno" ili nekvalitetno. Tu ćemo također opisati kako rade razno razne zaštite u napajanju te opisati tehnologije kojih "marketinški stručnjaci" i "rivju maheri" imaju puna usta.

Nevjerovatan hype digao se praktički simultano s pojavom "brand" napajanja oko "nečega sto se zove PFC". PFC odnosno power factor correction je tehnika spriječavanja neželjenih efekata neparnih harmoničkih titraja, kao bi uređaj podlegao određenim standardima, zadatim IEC 1000-3-2 standardom u ovisnosti o klasi. Također, valja razlikovati neke pojmove, tj. za početak definirati power factor, koji je odnos stvarne i prividne snage. Za čisti sinusoidalni signal power factor iznosi cos(fi). PFC je upravo zadužen za regulaciju ovih matematičkih relacija. Postoji nekoliko načina za primjenu PFC-a. Prvi od njih ne iziskuje nikakve dodatne komponente (nota bene, to _nije_ pasivni PFC, o njemu nešto kasnije), a PFC se postiže smanjivanjem izlaznog kapaciteta. Kada se to učini, ripple izlaznog napona se poveća i provodni interval ispravljačke diode se produžuje, što je pogodno za visokopulsirajuće istosmjerne izvore kakvi se koriste, primjerice, u ručnim alatima. Ovakav tip PFC-a nije primjenjiv u SMPS-u.

Pasivni PFC koristi dodatne pasivne komponente, a jedna od najjednostavnijih metoda je dodavanje zavojnice na izmjenični dio diodnog mosta odnosno serijski s izvorom napona. Ova metoda, ostajući u okvirima pasivnog PFC-a, dodatno se može proširiti kombiniranjem s low-pass ulaznim i izlaznim filterima ili s rezonantnim mrežama koji atenuiraju (smanjuju) harmonike. Također, postoje izvedbe s tzv. harmoničkim klopkama, odnosno serijskim rezonantnim mrežama spojenim u paralelu koje "hvataju" harmonike i atenuiraju ih. Postoji još nekoliko izvedbi pasivnog PFC-a, no one ovise o specifičnim potrebama. Pasivni PFC, iako se na prvi pogled ne čini tako, ima određene prednosti, kao što su jednostavnost izvedbe, pouzdanost i robustnost, neosjetljivost na šum i izboje, a zbog prirode koncepta na kojem radi, ne generira visokofrekventne EMI smetnje te je otporan na visokofrekventne switching gubitke. Naravno, postoje i loše strane pasivnog PFC-a kao što su slabi dinamički odazivi, nedostatak regulacije napona i oblika ako ulazna struja ovisi o opterećenju i slično. Iako su harmonici umanjeni, izvedbe s ovakvim komponentama nerijetko imaju fazni pomak koji smanjuje PFC. Također, rezonantni krugovi jesu osjetljivi na frekvenciju te iako serijska rezonancija smanjuje specificirane harmonike, njihov paralelni spoj može pojačati druge. Ako postoji, pasivni PFC će najčešće biti "gost" u napajanjima do 200W. Za veća opterećenja, tu je, dakako, Mr. Mus^H^H^H^H^H^H^H... aktivni PFC, dakako.

Aktivni PFC se dijeli na visoko i nisko frekvencijski PFC, s time da se visokofrekvencijski dalje dijeli na još tipova. Niskofrekventni PFC se koristi dosta rijetko zbog svojih reaktivnih elemenata koji su fizički veliki te je regulacija izlaznog napona vremenski spora. Najčešće izvedbe su s tiristorima, mada postoje i izvedbe sa switcherima. PFC koji se danas koristi u većini napajanja je visokofrekventni PFC. Ovakav PFC ima tri osnovne izvedbe, buck (step-down), boost (step-up) i buck-boost. Buck-boost nam je najpogodniji za to i on je kao takav upravo razlog zašto više nemate 220/110V preklopke na novim napajanjima, drugim riječima, vas će silikonski ljubimac raditi jednako dobro u New Yorku kao i u Sv. Petru u šumi.

Klik za veću sliku

Dakle, naš buck-boost konverter nam može raditi kao step-down ili step-up konverter što nam daje slobodu pri biranju ulaznog napona. Oni upoznatiji u tematiku bi mogli graknuti kako buck-boost konverter invertira signal, no tome se također moze doskočiti, no trenutno nije tema. U svakom slučaju, ovo bi manje više okončalo čitavu famu oko PFC-a kao takvog, pa možemo lagano na slijedeću temu...

Dovitljivi proizvođači su se dosjetili kako bi zaštitili vaše skupocjeno napajanje od razno raznih nedaća koje bi ih mogle zadesiti ukoliko niste pažljivi prema njima. Zamislimo da ste pokušali spojiti maminu/puničinu veš mašinu na svoj novi JNC 175W. U tom slucaju, zaštita ide otprilike ovako: zbog D13 na na C15 /R32 se pojavljuje negativni napon ovisan o primarnoj pa tako i izlaznoj struji i preko R33 vodi se na invertirajući ulaz pojačala greške u TL494. Kako to pojačalo radi s ogromnim pojačanjem (kao komparator), već mali iznos toga napona potpuno prekida generiranje signala na izlazu IC-a. R10 služi za bias (napon/struja mirovanja) toga pojačala i time prag djelovanja zaštite. Kad zaštita proradi, izlazni napon padne, padne i bias (jer se dobija s +5V na izlazu), što izaziva i smanjenje praga na kojem počinju raditi zaštite i smanjenje izlazne struje ispod maksimalne, tzv. foldback zaštita.

Mame/punice ste se riješili ovaj puta, no tatin stojadin opako treba novi akumulator, ali se postojeći pošto-poto mora napuniti. Nažalost, u zao čas, kleme su se dotakle i nastao je dobro poznati - kratki spoj. U tom slucaju, na scenu stupa zaštita od kratkog spoja. Kod prevelike izlazne struje na C22 dođe do pojave dovoljno visokog napona koji otvori Q7 što otvara Q5 i preko D5 dovodi pozitivan napon na pin 4 (deadtime) i zaustavlja rad IC-a. Ako ste mislili da je sveti Teo zaslužan za čudotvorno oživljavanje vašeg napajanja nakon kratkog spoja, zapravo se radi o tome da taj pozitivan napon otvara Q6 koji onda stalno drži otvorenim Q5, te je ovo ujedno i razlog zbog kojeg morate iskopčati napajanje iz naponske mreže da bi ponovno proradilo.

Kao što je prije bilo napomenuto, generalno napajanja dijelimo na AT i ATX. Također je bilo spomenuto i to da je žalosno kako se ništa pametno nije promijenilo od doba prvog PC-a, pa da objasnimo i to. Dakle, od prvog procesora 8088 pa sve do pojave druge generacije Pentiuma, procesori su papali 5V i to je sve fino funkcioniralo do pojave Pentiuma Classic (dakle Pentium 75 naviše, bez MMX) te njihovih MD, STD, VR, VRE i VRT naponskih regulacija, te sve češćih napona gladnih 3.3V PCI kartica, postalo je jasno kako izmjenjivanje 5V preko ploče nije idealno rješenje, pogotovo jer su već tada procesori počeli dolaziti s aktivnim hlađenjem. Nadasve dovitljivi kakvi i jesu, ljudi u industriji su se dosjetili jada i ni manje ni više nego "nakalemili" 3.3V dio na postojeće AT napajanje i dodali nešto logike zadužene za sve one zgodne feature kao što je paljene računala preko tipkovnice, WOL (wake on LAN) i slično. Zadnja ATX Specification revizija u trenutku pisanja ovog teksta je 2.2, a eto i par bitnijih značajki iz iste: u slučaju da je na 12V potrebno vise od 18A, nužno je uvođenje sekundarnog 12V raila, minimalna učinkovitost mora biti 70% za full i 72% za tipična odnosno 65% za laka opterećenja, glavni naponski konektor mora biti u formaciji 2x12 pinova umjesto dosadasnjih 2x10 pinova poradi zadovoljavanja 75W PCI-E zahtijeva, u slucaju katastrofalnog prekida radnog vijeka napajanja, isto se ne smije zapaliti, dimiti, napraviti nikakvu štetu na PCB-u i slično...

Pita baja kol'ko tebi treba vata...

Naša i vaša računala za rad trebaju el. energiju. Tu energiju daje im naš i vaš SMPS. Isto kao i kod limenog četverokotačnog ljubimca kojem taj rad, potreban da nas preveze od točke A do točke B (uz poželjan babe-magnet efekt), daje motor. Otto ili Diesel, i jedan i drugi troše. No, svi dobro znamo da ne troši isto hladan ili vruć, na A1 ili do obližnjeg šumarka na Sljemenu. Pa, tako je i sa našim napajanjima. Često ste mogli biti svjedoci raznih "wattage kalkulatora" koji su postali izrazito popularni po današnjim web stranicama. Pa, u njima ima nešto istine, donekle. Naš se PC sastoji od više komponenti koje se ovisno o opterećenju, troše više ili manje, što analogno iziskuje više ili manje el. snage.

Ovisnost potrošnje o vremenu pri radu starog Quantuma 60GB (klik za veću sliku)

Tako recimo naši diskovi imaju različite zahtjeve pri seeku (traženju podataka), idleu (mirovanju) ili full loadu (dakle konzistentnom čitanju ili pisanju). Isto je i s procesorom kada dekodira sigurnosnu kopiju (jer vas je vlasnik videoteke zamolio) najnovijeg hit DVD-a, s grafičkom koja pokreće Doom VI i slično. Kako je nemoguće (ili da budemo dovoljno "geekasti" i parafraziramo jednog poznatog lika iz stanovite serije, "manje vjerojatno") da ćete opteretiti sve komponente vašeg racunala istodobno, takve računice i kalkulatori su sasvim nepouzdan način određivanja snage napajanja koja vam je potrebna. S druge strane, u slijedećem članku sličnom metodom dobiveno je opterećenje od 400W; mislimo da će i paušalan pogled na takvu konfiguraciju izazvati zazubice kod većine te zauzeti monumentalno mjesto u (mokrim) snovima, baš između obnažene Jessice Albe s lijeva odnosno Monice Bellucci s desna. Dobro je znati da će, recimo, diskovi i ostale komponente s momentom tromosti najviše struje "posrkati" baš na početku svog rada (razlike su i do 10 puta), no pri postizanju stacionarnog stanja, stvari se uvelike mijenjaju. Također, većina proizvođača na svojim stranicama u nekom obliku ima deklaraciju specifikacija gdje je, manje ili više, prikazana i maksimalna, standardna ili pod određenim uvjetima - disipacija. Podatak, kao što rekosmo, je čisto informativne prirode i ne treba mu pridavati neko posebno značenje, ali moze pomoći da ne predimenzionirate napajanje za svoje potrebe. S druge strane, ukoliko ste puni "šuške", jače napajanje vam svakako neće škoditi, niti će dodatno opteretiti vaš mjesečni račun HEP-a.

I još pokoja za kraj. Autor ovog članka, ako ne bude previše cenzure od urednika, prikazao je na, u nekim trenutcima, pomalo subjektivan način status quo napajanja danas. Članak je trebao minimalistički približiti obično napajanje čitateljima, na ne previše stručan i zamoram način (autor ovih redaka je bio vanjski suradnik jednog kolege na doktorskoj dizertaciji PFC-a, pa toliko o tome koliko se ovo može rasplesti). Napajanja su primitivni uređaji i takvim ih tretirajte. Volite svoje računalo i priuštite mu pošteno napajanje, no imajte na umu da za 99% konfiguracija do 1000€ kvalitetno napajanje od 350W moze opslužiti bez ikakovog problema, te stoga ne robujte razvikanim brandovima i velikom broju vata, ako se nekakav novac baš mora uložiti u PC računalo, napajanje bi trebalo biti zadnje na kojemu vrijedi princip "više, bolje, jače". Također, namjerno nisu navođena imena niti jednog branda jer iz prostog razloga, kao i za sve stvari u životu, nažalost, vrijedi poznata maksima - kol'ko para, tol'ko muzike. U trenutku pisanja ovog članka, svako brand napajanje s cijenom od 300kn nadalje bi trebalo savršeno zadovoljavati sve (ili barem većinu relevantnih) standarde i propise te opskrbiti vaše računalo el. energijom. Isto tako, postoje određene, iako rijetke, serije "škart" napajanja koja su "dobra u duši", odnosno prilicno kvalitetna napajanja kojima jednostavno, zbog manjka kontrole kvalitete, što je direktno uvjetovano manjim brojem zaposlenih pa analogno tome i manjom cijenom, jednostavno imaju neke greške koje bi iskusniji elektroničar mogao otkloniti, i za jeftin novac dobiti izuzetno kvalitetno napajanje. Ako se ne osjećate sretnim, nađite zgodnu susjedu i objesite joj veš te time prišparajte za kvalitetnije napajanje. Moglo bi vam uštediti puno muka...